燃料電池汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一種。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動(dòng)機(jī)供電,再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),就可使車(chē)輛在路上行駛,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車(chē)輛是無(wú)污染汽車(chē)[1-3]。隨著對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求,汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過(guò)渡到混合動(dòng)力,終將*由清潔的燃料電池車(chē)替代[4]。
近幾年來(lái),燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車(chē)技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展[4-5]。世界汽車(chē)制造廠,如豐田、本田、通用、戴姆勒-克萊斯勒、日產(chǎn)和福特汽車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾代燃料電池汽車(chē)[5-12],并宣布了各種將燃料電池汽車(chē)投向市場(chǎng)的戰(zhàn)略。

目標(biāo)。目前,燃料電池轎車(chē)的樣車(chē)正在進(jìn)行試驗(yàn),以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車(chē)在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。其中本田的FCXClarity高時(shí)速達(dá)到了160km/h[8];豐田燃料電池汽車(chē)FCHV-adv已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了360,000km的路試,能夠在零下37度啟動(dòng),一次加氫能夠從大阪行駛到東京(560公里)[7]。在我國(guó)科技部的支持下,燃料電池汽車(chē)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2007年,我國(guó)第四代燃料電池轎車(chē)研制成功,該車(chē)高時(shí)速達(dá)150km/h,大續(xù)駛里程319km。2008年,20燃料電池示范汽車(chē)又在北京奧運(yùn)進(jìn)行了示范運(yùn)行。2010年,包括上汽、奇瑞等國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)共有196輛燃料電池汽車(chē)在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行[13]。
在開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)燃料處理器和輔助部汽車(chē)制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力,并已取得了顯著的進(jìn)步。但與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)相比,燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用“燃料電池+電動(dòng)機(jī)”來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)車(chē)的“心臟”-發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)。燃料電池轎車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生較大的變化,主要表現(xiàn)在:電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)成為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源;離合器與扭轉(zhuǎn)減振器被省略;多擋變速器通常被替換為減速器[14,15]。因此,燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總體得到簡(jiǎn)化。但在行駛時(shí),燃料電池是主要的動(dòng)力來(lái)源,蓄電池為輔助能量來(lái)源。汽車(chē)需要的功率主要由燃料電池提供?？梢哉f(shuō),車(chē)用燃料電池的選取,對(duì)于燃料電池汽車(chē)的性能至關(guān)重要。
本文介紹了燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況,圍繞燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細(xì)論述。
2動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)
燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行并不是一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況,頻繁的啟動(dòng)、加速和爬坡使得汽車(chē)動(dòng)態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢,在啟動(dòng)、急加速或爬陡坡時(shí)燃料電池的輸出特性無(wú)法滿足車(chē)輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車(chē)上,常常需要使用燃料電池混合電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級(jí)電容器或蓄電池十超級(jí)電容器)通過(guò)電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來(lái)提供峰值功率以補(bǔ)充車(chē)輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車(chē)怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動(dòng)功率時(shí),存儲(chǔ)富余的能量,或在回饋制動(dòng)時(shí),吸收存儲(chǔ)制動(dòng)能量,從而提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率。
2.1直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)式結(jié)構(gòu)中采用的電力電子裝置只有電機(jī)控制器,燃料電池和輔助動(dòng)力裝置都直接并接在電機(jī)控制器的入口。如豐田的FCHV-4[16],FIAT-Elettra[17]和日產(chǎn)X-TrailFCV[12]等都采用這種類(lèi)似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

輔助動(dòng)力裝置擴(kuò)充了動(dòng)力系統(tǒng)總的能量容量,增加了車(chē)輛一次加氫后的續(xù)駛里程;擴(kuò)大了系統(tǒng)的功率范圍,減輕了燃料電池承擔(dān)的功率負(fù)荷。許多插電混合的燃料電池汽車(chē)也經(jīng)常采用這樣的構(gòu)架,美國(guó)Ford公司EdgePlug-in燃料電池轎車(chē)和GM公司VoltPlug-in燃料電池車(chē)[18]。這種插電式混合動(dòng)力汽車(chē)將有效的減少氫燃料的消耗。另外,輔助動(dòng)力裝置的存在使得系統(tǒng)具備了回收制動(dòng)能量的能力,并且增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。燃料電池和輔助動(dòng)力裝置之間對(duì)負(fù)載功率的合理分配還可以提高燃料電池的總體運(yùn)行效率[4]。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可以在輔助動(dòng)力裝置和動(dòng)力系統(tǒng)直流母線之間添加了一個(gè)雙向DC/DC變換器。使得對(duì)輔助動(dòng)力裝置充放電的控制更加靈活、易于實(shí)現(xiàn)。由于雙向DC/DC變換器可以較好地控制輔助動(dòng)力裝置的電壓或電流,因此它還是系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行部件。
2.2并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
另一種構(gòu)架是并聯(lián)式的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)建通常在燃料電池和電機(jī)控制器之間安裝了一個(gè)DC/DC變換器,燃料電池的端電壓通過(guò)DC/DC變換器的升壓或降壓來(lái)與系統(tǒng)直流母線的電壓等級(jí)進(jìn)行匹配。這種系統(tǒng)與上述構(gòu)架不同之處還在于,這種動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮能量的回饋回收,因此系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單,但效率比較低下。
盡管系統(tǒng)直流母線的電壓與燃料電池功率輸出能力之間不再有耦合關(guān)系,但DC/DC變換器必須將系統(tǒng)直流母線的電壓維持在適宜電機(jī)系統(tǒng)工作的電壓點(diǎn)(或范圍),對(duì)于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通常還需要安裝一個(gè)DC/AC轉(zhuǎn)換器。目前這類(lèi)構(gòu)架系統(tǒng)只在一些小型或者實(shí)驗(yàn)的車(chē)上使用,如2002年通用汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的Autonomy和Hy-wire兩種車(chē)都是基于該中構(gòu)架的[10]。2008年,同濟(jì)大學(xué)-蒂森克虜伯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室采用這種架構(gòu)開(kāi)發(fā)了小型燃料電池汽車(chē)[19],并研究了燃料電池電堆系統(tǒng)對(duì)整車(chē)性能的影響。
3燃料電池汽車(chē)多能源系統(tǒng)管理與優(yōu)化
燃料電池不適合作為動(dòng)力系統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)能源,必須選用輔助能源系統(tǒng)合理補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)所需的能量,覆蓋功率波動(dòng),提高峰值功率,吸收回饋能量,改善燃料電池輸出功率的瞬態(tài)特性。目前各大汽車(chē)開(kāi)發(fā)商采用了輔助動(dòng)力,來(lái)提高燃料電池汽車(chē)的性能(表1所示)。

3.1動(dòng)力電池輔助能源系統(tǒng)
目前鉛酸電池[20]由于比能量及比功率均較低,已經(jīng)淘汰。在汽車(chē)上常用的動(dòng)力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。

表1典型的燃料電池汽車(chē)

Table1Typicalfuelcellelectricvehicles
鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無(wú)需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點(diǎn)。其能量密度可超過(guò)80Wh/kg,一次充電的行駛距離長(zhǎng),在大電流工作時(shí)能夠平穩(wěn)放電。FCHV-4[6],High-landerFCHV-adv[7]和通用ChevroletEquinox[9]的動(dòng)力系統(tǒng)都是燃料電池和鎳氫電池集成的。但,鎳氫在高溫環(huán)境下,電池電荷量會(huì)急劇下降,并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問(wèn)題。在燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間,充放電電流應(yīng)處于160-240A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性[21,22]。
鋰離子電池具有體積小,能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)。本田FCXClarity[8],通用ChevroletSequel[10]鋰和日產(chǎn)X-TrailFCV[12]等都采用鋰離子電池作為燃料電池汽車(chē)的輔助能源系統(tǒng)。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V,相當(dāng)于3個(gè)鎳鋅或鎳氫電池串接起來(lái)的電壓值,因而能夠減少電池組合體的數(shù)量,降低單體電池電壓差所造成的電池故障發(fā)生概率,從而提高了電池組的使用壽命。
鋰離子電池具備自放電低(僅為5%-10%)的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)[4,5]。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,因而在使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言,鋰離子電池易于車(chē)載布置安裝,是較為理想的能量存儲(chǔ)媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具來(lái)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析[23],提高電池的使用效率和壽命。
其充電放電動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用Thevenin模型來(lái)如下[23,24]:

3.2超級(jí)電容系統(tǒng)
超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能元件,它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率,又像電池一樣具有很大的電荷儲(chǔ)存能力[23,25]。由于其放電特性與靜電電容更為接近,所以仍然稱(chēng)之為“電容”。
如果僅采用超級(jí)電容作為唯yi輔助能源還存在諸多不足之處,如:電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng),由于超級(jí)電容的自放電效應(yīng),在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時(shí)車(chē)載輔助系統(tǒng)的供電將無(wú)法保障[5]。況且超級(jí)電容能量密度很低,若要達(dá)到一定的能量?jī)?chǔ)備能力其設(shè)備體積勢(shì)必加大。當(dāng)前超級(jí)電容都是與其他動(dòng)力電池一起購(gòu)車(chē)輔助電源系統(tǒng),在燃料電池汽車(chē)上使用的[4,25,26]。為了克服的描述超級(jí)電容的特性,可以采用阻抗法進(jìn)行建模代替簡(jiǎn)單RC回路模型[23]。超級(jí)電容當(dāng)前SOC主要基于超級(jí)電容的輸出電壓:

3.3多源能量的組合與控制
燃料電池電動(dòng)汽車(chē)安裝上述兩種拓?fù)錁?gòu)型,與動(dòng)力電池和超級(jí)電容進(jìn)行組合,才能達(dá)到比較好的效果。目前,主要采用的三種能量組合方式有:1)燃料電池+動(dòng)力電池,通用ChevroletEquinox等就采用這種組合方式[9,10,12];2)燃料電池+超級(jí)電容,如本田的FCV-3和馬自達(dá)FC-EV等[4];3)燃料電池+動(dòng)力電池+超級(jí)電容,如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同狀況下,能量的流動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)車(chē)用3種能源的比較,基于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率預(yù)測(cè)控制策略設(shè)計(jì)了多能源能量管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種能源的優(yōu)化管理和控制[26]。

4動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)
4.1燃料電池系統(tǒng)仿真技術(shù)
對(duì)燃料電池汽車(chē)中的燃料電池系統(tǒng)建模的方法又可分為兩種,一種是在電化學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)上,建立比較復(fù)雜的一維或多維物理模型[27]。這種模型可根據(jù)不同燃料電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立相應(yīng)模型,分析壓力、溫度、濕度、流量、催化劑、管道結(jié)構(gòu)等多方面因素對(duì)燃料電池工作的影響。但這種模型復(fù)雜不直觀,且運(yùn)算速度慢。另一種則采用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合相應(yīng)的商業(yè)軟件[24,26],這種方法具有直觀快速的特點(diǎn),但該模型只能針對(duì)特定的燃料電池系統(tǒng),其建立需依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4.2整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)
燃料電池車(chē)仿真的終目的是以燃料電池模型為基礎(chǔ),結(jié)合子系統(tǒng)和動(dòng)力傳送系統(tǒng)的相關(guān)模型,仿真分析燃料電池系統(tǒng)乃至整個(gè)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的工作情況。這種系統(tǒng)優(yōu)化的方法主要是結(jié)合實(shí)際的使用來(lái)進(jìn)行的,一般分成兩種[24,27]。
在實(shí)際使用路況未知的情況,俄亥俄州立大學(xué)的T.GabrielChoi等[28]基于FIATPanda車(chē)型,針對(duì)燃料電池插電式電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力要求,研究了兩者控制測(cè)量:離線全局優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化下控制測(cè)量的設(shè)置方法。對(duì)于家庭充電和燃料電池混合應(yīng)用的能量?jī)?yōu)化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了駕駛習(xí)慣對(duì)能量的使用情況,并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和尺寸容量等做了優(yōu)化。

對(duì)于實(shí)際使用情況已知,謝長(zhǎng)君等[26]研究了巡航加速等工況下的優(yōu)化方法,Francisco等[31]研究了鄉(xiāng)村路線、城市路線和兩者混合下燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)方法,研究了不同輔助能量系統(tǒng)下動(dòng)力系統(tǒng)的效率和能耗,為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。KeshavS等[32]運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)仿真分析工具(PSAT)分析了燃料電池整車(chē)系統(tǒng)包括燃料電池電堆和其他部件的性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用單個(gè)輔助能量時(shí),鋰電池的效果hao(表二)。鋰電池和超級(jí)電容混用,則可以9%的效率。另外,針對(duì)燃料電池機(jī)械結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)相應(yīng)也需要進(jìn)一步考慮[14]。
5總結(jié)
燃料電池電動(dòng)車(chē)中的燃料電池電堆只能維持車(chē)輛運(yùn)行的平均功率要求,采用輔助能量系統(tǒng)提高了燃料電池汽車(chē)的效率。本文圍繞燃料電池汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù),分別對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)拓?fù)浼軜?gòu)、多源系統(tǒng)管理和動(dòng)力系統(tǒng)配置與仿真優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了詳細(xì)論述。本文的研究對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造具有重要的參考價(jià)值。